电力拖动自动控制系统-6

内容提要概述交流变压调速系统交流变频调速系统*绕线转子异步电机串级调速系统*同步电动机变压变频调速系统概述直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机。而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机。交流调速系统性能始终无法与直流调速系统相匹敌。直到20世纪60-70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生。直流电机具有电刷和换相器使其应用环境受到限制，而交流拖动控制系统成为当前电力拖动控制的主要发展方向。第6章交流调速的基本类型和交流调压调速系统6.1交流调速系统的主要类型交流电机主要分为异步电机（感应电机）和同步电机两大类，异步电机常见调速方法有①降电压调速；②转差离合器调速；③转子串电阻调速；④绕线电机串级调速或双馈电机调速；⑤变极对数调速；⑥变压变频调速等等。~按电动机的能量转换类型分类按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。PmechPmPs即Pm=Pmech+PsPmech=(1–s)PmPs=sPm从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类。1.转差功率消耗型调速系统这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第①、②、③三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的。2.转差功率馈送型调速系统在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，上述第④种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高。3.转差功率不变型调速系统在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的第⑤、⑥两种调速方法属于此类。变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速。同步电机的调速同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（=0）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速。6.2闭环控制的交流变压调速系统当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中（TVC）,用相位控制改变输出电压。M3~~TVC采用晶闸管反并联供电方式，实现异步电动机可逆和制动。6.3异步电动机改变电压时的机械特性在下述三个假定条件下：①忽略空间和时间谐波，②忽略磁饱和，③忽略铁损，异步电机的稳态等效电路如下。U11R1Ll1L’l2LmR’2/sI1I0I’2参数定义R1、R’2—定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；Ll1、L’l2—定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；Lm—定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；U1、1—定子相电压和供电角频率；s—转差率。电流公式由图可以导出2'211212'2111'2llLCLsRCRUIm1m1111111LLLjLjRCll式中在一般情况下，LmLl1，则，C11这相当于将上述假定条件的第③条改为忽略铁损和励磁电流。这样，电流公式可简化成2'21212'21s'2sllLLsRRUII转矩公式令电磁功率Pm=3I2'2R2'/s同步机械角转速1=1/np式中np—极对数，则异步电机的电磁转矩为)36(/332'21212'211'221p'22'21p1mellLLsRRsRUnsRInPT式（6-3）就是异步电机的机械特性方程式。它表明，当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。这样，不同电压下的机械特性便如图所示，图中，Unom表示额定定子电压。异步电动机机械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性异步电动机不同电压下的机械特性最大转矩公式将式（6-3）对s求导，并令dTe/ds=0，可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩2'212121'2m)(llLLRRs2'2121211121pmaxe)(23llLLRRUnT可见，带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为A、B、C，转差率s的变化范围不超过0-sm，调速范围有限。如果带风机类负载运行，则工作点为D、E、F，调速范围可以大一些。为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，这样的电机在变电压时的机械特性绘如下图。显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。交流力矩电机的机械特性TeOnn0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒转矩负载特性1.系统组成ASRU*n+-UnGT+M3~TG--~Ucn6.4闭环控制的变压调速系统及其静特性2.系统静特性eTOnn0TLUsNAA’A’’Usmin恒转矩负载特性U*n3U*n1U*n2图示的是闭环控制变压调速系统的静特性。当系统带负载在A点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点A’。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点A’’。按照反馈控制规律，将A’’、A、A’连接起来便是闭环系统的静特性。尽管异步电机的开环机械特性和直流电机的开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机械特性上各取一个相应的工作点，连接起来便得到闭环系统静特性，这样的分析方法对两种电机是完全一致的。尽管异步力矩电机的机械特性很软，但由系统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。如果采用PI调节器，照样可以做到无静差。改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达到调速的目的。3.系统静态结构Ksn=f(U1,Te)ASRU*nUnUctU1--TLn异步电机闭环变压调速系统的静态结构图Ks=Us/Uc为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；=Un/n为转速反馈系数；ASR采用PI调节器；n=f(Us,Te)是式（6-3）所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。6.5闭环变压调速系统的近似动态结构图对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构图。动态结构图，如下图所示。系统动态结构MA——异步电机FBS——测速反馈环节WFBS(s)U*n(s)Un(s)Uc(s)-n(s)WASR(s)WGT-V(s)WMA(s)Us(s)转速调节器ASR转速调节器ASR常用PI调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为ssKsWnnnASR1)(晶闸管交流调压器和触发装置传递函数可近似写成1)(ssVGTsTKsW测速反馈环节考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节FBS的传递函数可写成1)(onFBSsTsW异步电机近似的传递函数异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来准确地表示它的输入输出关系是不可能的。在这里，可以先在一定的假定条件下，用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。（1）异步电机近似的线性机械特性2'21212'211'221pe)()(/3llLLsRRsRUnTsRR'12sRLLll'2211)(且后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性。在此条件下，这是在上述条件下异步电机近似的线性机械特性。sURnT2s'r1pe3（2）稳态工作点计算设A为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，则在A点上在A点附近有微小偏差时，Te=TeA+Te，Us=UsA+Us，s=sA+sA2sA'11peA3sURnT（3）微偏线性化将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则)()(3A211A'21peeAssUURnTT)2(321AsA1AA21A'21peeAsUUsUsURnTT…电机在稳态工作点A附近的微偏量运动方程式为tnJTTddpLetnJTTd)(dpLe（4）近似动态结构图3npω1R2，，2U1ASA3npU21Aω12R’2npJsΔUsΔTeΔTLΔ+--异步电机在忽略电磁惯性时的微偏线性化动态结构如图：（5）异步电机的近似线性化传递函数于是，异步电机的近似线性化传递函数为1132323)()()(mMA21A2p'r211A1A'22121AppA1A'21psMAsTKsUnRJUsRUnsnJsURnsUssW式中，KMA—异步电机的传递系数，Tm—异步拖动系统的机电时间常数，1AA11A1AMA)(22UUsK21A2p'221m3UnRJT由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，即把得到的四个传递函数式写入图5-8中各方框内，即得异步电机变压调速系统微偏线性化的近似动态结构图。1)()()(mMAsMAsTKsUssW得到控制系统动态结构的目的是对控制系统进行设计，具体设计方法与直流调速系统类似，可按动态性能指标要求设计为典型I型系统或典型II型系统。本章小结了解交流变压的基本方式；掌握交流变压调速系统的开环特性和闭环特性；了解系统模型的非线性性质和线性化方法；